サファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法
【課題】高い生産効率でサファイア単結晶を製造することができるサファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であるサファイア単結晶製造用αアルミナ、およびその製造方法。
【解決手段】αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であるサファイア単結晶製造用αアルミナ、およびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
αアルミナは、サファイア単結晶を製造するための原料として有用である。サファイア単結晶は、例えばαアルミナを金属モリブデン製のルツボ内に充填し、加熱して溶融し、溶融したアルミナから引き上げる方法により製造することができる（例えば、特許文献１参照）。αアルミナを高い容積効率でルツボに充填してサファイア単結晶を効率よく製造するため、さらに高い容積効率でルツボに充填することができるαアルミナが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−９７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、高い生産効率でサファイア単結晶を製造することができるサファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特性が異なる２種のαアルミナを所定割合で混合することで得られるサファイア単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が極めて高いという知見を得、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（２）αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示す前記（１）記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（３）αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、１ｍｍ以上の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上である前記（１）または（２）記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（４）純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下である前記（１）〜（３）のいずれかに記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（５）αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を混合する工程を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナの製造方法。
なお、本発明における前記「乾式篩い分け粒子径」は、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）で規定する標準篩で篩い分けしたとき、αアルミナ（I）が通過しなかった標準篩の目開きの最大値である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高い容積効率でルツボに充填することができるので、高い生産効率でサファイア単結晶を製造することができるという効果がある。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
〔サファイア単結晶製造用αアルミナ〕
本発明のサファイア単結晶製造用αアルミナ（以下、「単結晶製造用αアルミナ」と言う。）は、特定のαアルミナ（I）１００重量部と、特定のαアルミナ（II）２５〜２３５重量部、好ましくは５０〜１５０重量部、より好ましくは１００重量部と、を含むものである。この割合で異なる特性を有する２種のαアルミナ（αアルミナ（I）およびαアルミナ（II））を含むと、単結晶製造用αアルミナのかさ密度を高くすることができるので、単結晶製造用αアルミナを高い容積効率でルツボに充填することができる。
【０００８】
すなわち、αアルミナ（II）は、比表面積、相対密度および体積が、各々後述する範囲内であるので、比較的大きな体積と高い相対密度を両立でき、形状の整った焼結体粒子であることから焼結体粒子の各々のかさ密度が高いという特徴を有する。
一方、αアルミナ（I）は、比表面積およびかさ密度が、各々後述する範囲内であるので、比較的高いかさ密度と高い流動性とを両立でき、さらには閉気孔率を充分に低くできる。
そして、本発明においては、前記のような形態を有するαアルミナ（II）の焼結体粒子の間に、充分なかさ密度と流動性を有するαアルミナ（I）が上述の重量比で存在することにより、極めて高いかさ密度を有することが可能となる。
以下に、αアルミナ（I）およびαアルミナ（II）について詳述する。
【０００９】
＜αアルミナ（I）＞
αアルミナ（I）は、通常、粉末である。αアルミナ（I）の純度は、９９．９９重量％以上が好ましい。αアルミナ（I）は、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００１０】
αアルミナ（I）の比表面積は、０．１〜５ｍ2／ｇ、好ましくは０．２〜１ｍ2／ｇである。αアルミナ（I）のかさ密度は、１．５ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは２．０ｇ／ｃｍ3以上、より好ましくは２．０〜２．６ｇ／ｃｍ3である。αアルミナ（I）の比表面積があまり大きく、かさ密度があまり小さいと、αアルミナ（I）の流動性が低下し、取り扱い性が低下するおそれがある。また、αアルミナ（I）の比表面積があまり小さいと、閉気孔率が高まるおそれがあり、閉気孔に取り込まれた水分等によりルツボを酸化させるおそれがある。
【００１１】
高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填する上で、αアルミナ（I）は、相対密度が５５〜９０％、閉気孔率が０〜１０％、吸着水分量が０〜１重量％であるのが好ましい。相対密度が上記範囲内であると、本発明で規定する比表面積およびかさ密度のαアルミナ（I）が得られやすい。閉気孔率が上記範囲を超えて高くなると、閉気孔に取り込まれた水分等によりルツボを酸化させるおそれがあり、また、吸着水分量が上記範囲を超えて高くなると、吸着水分によりルツボを酸化させるおそれがある。
【００１２】
αアルミナ（I）は、２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子の含有量が１５重量％以下であるのが好ましく、１０重量％以下であるのがより好ましい。特に、αアルミナ（I）は、２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子を実質的に含まない（例えば、含有量が約０．１重量％以下）のが好ましい。２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子の含有量が上記範囲を超えると、本発明で規定するかさ密度のαアルミナ（I）が得られにくくなる。
なお、粒子径とは、後述する乾式篩い分け粒子径である。
【００１３】
αアルミナ（I）は、粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示すのが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示すのがより好ましい。αアルミナ（I）は、単一粒子径の粒子を含むものでもよい。頻度極大が上記粒子径範囲内に１つ以上あると、本発明で規定するかさ密度のαアルミナ（I）が得られやすい。
【００１４】
αアルミナ（I）は、粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、１００μｍ以上８５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ以上５００μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、１ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上であるのが好ましい。これにより、より高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填することができる。
【００１５】
特に、Ｄ１およびＤ２が、式：５×Ｄ１≦Ｄ２≦１５×Ｄ１を満足するのが好ましく、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．１以上であるのが好ましく、１以上であるのがより好ましく、１〜５であるのがさらに好ましい。
【００１６】
本明細書において、粒子径は、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）に規定される目開き７５μｍ，１００μｍ，２１２μｍ，３００μｍ，４２５μｍ，５００μｍ，６００μｍ，７１０μｍ，８５０μｍ，１ｍｍ，２ｍｍおよび２．８ｍｍの標準篩を用いて、粒子が通過し得なかった目開きの最大値として測定される乾式篩い分け粒子径である。粒子径分布は、標準篩を用いてＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験に従い測定される乾式篩い分け粒子径による重量基準の粒子径分布である。
【００１７】
αアルミナ（I）は、例えば以下の（I−１）〜（I−３）の工程を含む方法により調製することができる。
（I−１）αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とを混合して混合物を得る工程。
（I−２）混合物を焼成して粗粉末を得る工程。
（I−３）粗粉末を分級する工程。
【００１８】
（αアルミナ前駆体）
αアルミナ前駆体は、焼成によりαアルミナに転移し得る化合物であって、例えば水酸化アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムｓ−ブトキシド、アルミニウムｔ−ブトキシド等のアルミニウムアルコキシド、γアルミナ、δアルミナ、θアルミナ等の遷移アルミナ等が挙げられ、これらは１種または２種以上を混合して用いてもよく、特に水酸化アルミニウムが好ましく、純度９９．９９重量％以上の高純度水酸化アルミニウムがより好ましい。
【００１９】
水酸化アルミニウムは、例えば加水分解性アルミニウム化合物を加水分解することにより得られる。加水分解性アルミニウム化合物としては、例えばアルミニウムアルコキシド、塩化アルミニウム等が挙げられるが、純度の点でアルミニウムアルコキシドが好ましい。水酸化アルミニウムは、結晶型が不定形（アモルファス）、ギブサイト、ベーマイトであり、好ましくはベーマイトである。
【００２０】
（αアルミナ種粒子）
αアルミナ種粒子は、例えば純度９９．９９重量％以上の高純度αアルミナ粒子を粉砕して得られる。αアルミナ種粒子は、中心粒子径が０．１〜１μｍであるのが好ましく、０．１〜０．４μｍであるのがより好ましい。中心粒子径があまり小さいαアルミナ種粒子は工業的に製造が困難であり、αアルミナ種粒子の中心粒子径があまり大きいと、αアルミナ（I）の比表面積およびかさ密度が特定の値を外れるおそれがあるので好ましくない。
【００２１】
高純度αアルミナ粒子の粉砕は、例えば乾燥状態で粉砕する方法（乾式粉砕）、溶媒を加えてスラリー状態で粉砕する方法（湿式粉砕）等が挙げられ、湿式粉砕が好ましい。
【００２２】
湿式粉砕では、例えばボールミル、媒体撹拌ミル等の粉砕装置などが用いられる。溶媒は、通常、水である。湿式粉砕では、分散性を向上させるため、分散剤を添加することができる。分散剤としては、αアルミナ（I）の不純物を低減するため、例えばポリアクリル酸アンモニウム塩等の高分子系分散剤のように焼成により分解して揮発する材料が好ましい。
【００２３】
αアルミナ種粒子の汚染を低減するため、粉砕装置の部材のうちアルミナと接する面が高純度のαアルミナであるか、あるいは樹脂ライニングされていることが好ましい。媒体撹拌ミル等を用いる場合には、媒体も高純度のαアルミナであることが好ましい。
【００２４】
αアルミナ種粒子の量は、焼成後のαアルミナ粒子の重量を１００重量部としたとき、通常、０．１〜１０重量部であり、好ましくは０．３〜７重量部である。αアルミナ種粒子の量があまり少ないと、αアルミナ（I）の比表面積およびかさ密度が上述した特定の値を外れるおそれがあり、あまり多くても得られるαアルミナ（I）の物性は変わらず不必要に使用量が増大するので好ましくない。
【００２５】
αアルミナ種粒子は、通常、湿式粉砕後のスラリーの状態で水酸化アルミニウムと混合される。スラリーの量は、通常、スラリー中の水分量として、水酸化アルミニウム１００重量部に対して１００〜２２０重量部であり、好ましくは１２０〜２００重量部である。水分量があまり多いと、混合物がスラリー化し、乾燥に多大なエネルギーを要するので好ましくない。水分量があまり少ないと、混合物の流動性が乏しく、αアルミナ種粒子と水酸化アルミニウムとの混合が不十分となるおそれがある。
【００２６】
（混合）
混合は、例えばボールミルやミキサー等を用いて行うか、または超音波照射等により行うことができる。これらの方法により、分散性よくαアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とを混合することができる。αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とをより均一に混合する上で、せん断力をかけながら混合することができるブレード型混合機が好ましい。
【００２７】
αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子との混合物は、通常、乾燥され水分が除去される。乾燥温度は、通常、８０〜１８０℃である。乾燥品の軽装かさ密度を向上させるため、乾燥は流動層乾燥機を用いて行うことが望ましい。
【００２８】
（焼成）
焼成は、例えば管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の通常の焼成炉を用いることができる。焼成は、回分式、連続式いずれでも行うことができる。焼成炉は、静止式や流動式いずれでもよい。
【００２９】
焼成温度は、特定の純度、比表面積、相対密度、閉気孔率およびかさ密度を有するαアルミナ（I）が容易に得られる点で、通常、１２００〜１４５０℃、好ましくは１２５０〜１４００℃である。焼成温度があまり高いと、焼成が過度に進行し比表面積が下がることや、閉気孔率が高まることや、焼成炉からの不純物汚染等が起こり易い。焼成温度があまり低いと、水酸化アルミニウムのα化が不十分であったり、比表面積が高くなることがある。
【００３０】
焼成温度までの昇温速度は、例えば３０〜５００℃／時間である。焼成時間は、水酸化アルミニウムが十分にα化するのに十分な時間であり、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子との量比、焼成炉の形式、焼成温度、焼成雰囲気等により異なり、例えば３０分〜２４時間、好ましくは１時間〜１０時間である。
【００３１】
焼成雰囲気としては、大気か、または窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。焼成雰囲気は、湿潤雰囲気であってもよい。
【００３２】
（分級）
分級は、例えば篩い分け等により行うことができる。
【００３３】
＜αアルミナ（II）＞
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなる。本発明におけるαアルミナ（II）は、例えば、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子の混合物を成形して成形体を得、得られた成形体を焼結することで得ることができる。
αアルミナ（II）の比表面積は、１ｍ2／ｇ以下、好ましくは０．１ｍ2／ｇ以下である。αアルミナ（II）の相対密度は、８５％以上である。焼結体粒子の各々の体積は、０．０１ｃｍ3以上、好ましくは０．１０ｃｍ3以上、より好ましくは０．１０〜１０ｃｍ3である。αアルミナ（II）の比表面積があまり大きいか、またはαアルミナ（II）の相対密度があまり小さいと、単結晶製造用αアルミナのかさ密度が低くなるおそれがある。
【００３４】
高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填する上で、αアルミナ（II）は、焼結体粒子の集合体のかさ密度が１〜３ｇ／ｃｍ3、閉気孔率が０〜１０％であるのが好ましい。また、αアルミナ（II）の純度は、９９．９９重量％以上が好ましい。αアルミナ（II）は、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００３５】
αアルミナ（II）は、例えば以下の（II−１）〜（II−３）の工程を含む方法により調製することができる。
（II−１）水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とを混合して混合物を得る工程。
（II−２）混合物を成形して成形体を得る工程。
（II−３）成形体を焼結する工程。
【００３６】
（水酸化アルミニウム）
水酸化アルミニウムは、例えば加水分解性アルミニウム化合物を加水分解することにより得られる。加水分解性アルミニウム化合物としては、例えばアルミニウムアルコキシド、塩化アルミニウム等が挙げられ、純度の点でアルミニウムアルコキシドが好ましい。水酸化アルミニウムは、純度９９．９９重量％以上の高純度水酸化アルミニウムが好ましい。水酸化アルミニウムは、結晶型が不定形（アモルファス）、ギブサイト、ベーマイトであり、好ましくはベーマイトである。
【００３７】
（αアルミナ種粒子）
αアルミナ種粒子としては、αアルミナ（I）のαアルミナ種粒子で例示したのと同じαアルミナ種粒子が挙げられる。
【００３８】
（混合）
αアルミナ種粒子は、通常、湿式粉砕後のスラリーの状態で水酸化アルミニウムと混合される。スラリーの量は、通常、スラリー中の水分量として、水酸化アルミニウム１００重量部に対して１００〜２２０重量部であり、好ましくは１２０〜２００重量部である。水分量があまり多いと、混合物がスラリー化し、乾燥に多大なエネルギーを要するので好ましくない。水分量があまり少ないと、混合物の流動性が乏しく、αアルミナ種粒子と水酸化アルミニウムとの混合が不十分となるおそれがある。混合は、例えばボールミルやミキサー等を用いて行うか、または超音波照射等により行うことができる。これらの方法により、分散性よく水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とを混合することができる。水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とをより均一に混合する上で、せん断力をかけながら混合することができるブレード型混合機が好ましい。
【００３９】
（成形）
次いで、上記のようにして得られた混合物を成形する。なお、混合物は、成形に適した水分量に調整してもよく、例えば、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、水分量として、１００〜２２０重量部、好ましくは、１４０〜２００重量部である。
成形は、例えばプレス成形、打錠成形、押出成形、マルメライザーまたは皿型転動機等により行うことができる。成形体は、通常、円柱状、俵状または球状である。成形体は、乾燥させて水分を除去してもよいし、乾燥させなくてもよい。乾燥は、例えばオーブン、高周波乾燥機等により行うことができる。乾燥温度は、通常、６０〜１８０℃である。
【００４０】
（焼結）
焼結は、例えば管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の通常の焼結炉を用いることができる。焼結は、回分式、連続式いずれでも行うことができる。焼結炉は、静止式、流動式いずれでもよい。
【００４１】
焼結温度は、特定の純度、比表面積、相対密度および閉気孔率を有するαアルミナ（II）が容易に得られる点で、通常、１２００〜１４５０℃、好ましくは１２５０〜１４００℃である。焼結温度があまり高いと、焼結が過度に進行し比表面積が下がることや、閉気孔率が高まることや、焼結炉からの不純物汚染等が起こり易い。焼結温度があまり低いと、水酸化アルミニウムのα化が不十分であったり、比表面積が高くなることがある。
【００４２】
焼結温度までの昇温速度は、例えば３０〜５００℃／時間である。焼結時間は、水酸化アルミニウムが十分にα化するのに十分な時間であり、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子との量比、焼結炉の形式、焼結温度、焼結雰囲気等により異なり、例えば３０分〜２４時間、好ましくは１時間〜１０時間である。
【００４３】
焼結雰囲気としては、大気か、または窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。焼結雰囲気は、湿潤雰囲気であってもよい。
【００４４】
〔単結晶製造用αアルミナの製造方法〕
単結晶製造用αアルミナの製造方法は、αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部、好ましくは５０〜１５０重量部、より好ましくは１００重量部と、を混合する工程を含む。
【００４５】
（混合）
混合は、αアルミナの汚染を抑制するため、αアルミナ（I）またはαアルミナ（II）と接触する部材が、高純度αアルミナであるか、または樹脂ライニングされている装置を使用して行うことが好ましい。
【００４６】
このようにして得られた単結晶製造用αアルミナは、通常、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、好ましくは０．２〜１．０ｍ2／ｇである。これにより、大気中から表面に付着する水分が少なく、加熱溶融させたときに、これらの水分によりルツボを酸化させるおそれがなく、さらにサファイア単結晶に形成されるボイドも少なくなる。
【００４７】
単結晶製造用αアルミナは、純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。このような単結晶製造用αアルミナを単結晶製造用アルミナ原料として用いることで、着色やクラック等の少ない良質なサファイア単結晶が得られる。
【００４８】
単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が、通常、２．６ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは２．６〜３．５ｇ／ｃｍ3である。このような単結晶製造用αアルミナを加熱溶融した後、冷却することにより容易に単結晶化させてサファイア単結晶を得ることができる。
【００４９】
単結晶製造用αアルミナは、例えばＥＦＧ法、チョクラルスキー法、カイロポーラス法等のサファイア単結晶成長方法の原料として使用することができ、好ましくは高い容積効率でルツボに充填する必要があるチョクラルスキー法、カイロポーラス法等に用いられる。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。なお、各物性の評価方法は、次の通りである。
【００５１】
（相対密度）
アルキメデス法で焼結密度を測定し、式：相対密度（％）＝焼結密度〔ｇ／ｃｍ3〕／３．９８〔ｇ／ｃｍ3；αアルミナ理論焼結密度〕×１００に当てはめて算出した。
【００５２】
（体積）
アルキメデス法で測定した焼結体の密度と単結晶製造用αアルミナ１個あたりの重量とを、式：体積（ｃｍ3／個）＝重量〔ｇ／個〕／焼結密度〔ｇ／ｃｍ3〕に当てはめて算出した。
【００５３】
（閉気孔率）
式：閉気孔率（％）＝〔（閉気孔体積）／{（１／３．９８）＋細孔容積＋閉気孔体積}〕×１００から算出した。
閉気孔体積は、式：閉気孔体積（ｃｍ3／ｇ）＝（１／粒子密度）−（１／３．９８）から算出した。粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ ７２２２（１９９７）の真比重測定方法に基づき算出した。細孔容積は、試料を１２０℃で４時間乾燥後、ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製のオートポアＩＩＩ９４２０装置を用いて水銀圧入法により細孔半径１μｍ以下の範囲の細孔容積として求めた。
【００５４】
（不純物濃度と純度）
Ｓｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃａの含有量は、固体発光分光法にて測定した。純度は、単結晶製造用αアルミナ中に含まれるＳｉＯ2，Ｎａ2Ｏ，ＭｇＯ，ＣｕＯ，Ｆｅ2Ｏ3，ＣａＯの重量の総和（％）を上記から算出し、これを１００から差し引いた。
すなわち、式：純度（％）＝１００−不純物の重量の総和（％）から算出した。
【００５５】
（かさ密度）
試料を内径８０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの容器に充填した後、試料重量を測定容器の容積で除して算出した。
【００５６】
（比表面積）
（株）島津製作所製のＢＥＴ比表面積測定装置「２３００−ＰＣ−１Ａ」を用いて窒素吸着法により測定した。なお、測定容器に入らない大きさの試料は、容器に入る大きさに粉砕の上、測定した。
【００５７】
（粒子径分布）
ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験法に基づき、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）に指定された標準篩のうち、網目の目開きが、７５μｍ，１００μｍ，２１２μｍ，３００μｍ，４２５μｍ，５００μｍ，６００μｍ，７１０μｍ，８５０μｍ，１ｍｍ，２ｍｍ，２．８ｍｍの篩を用いて算出した。
【００５８】
（水分量）
吸着水分量は、ＪＩＳ Ｈ １９０１（１９９７）に基づき、試料を１１０℃で乾燥した後、その減量として測定した。
【００５９】
＜αアルミナ（I）の調製＞
αアルミナ種粒子として、純度９９．９９重量％の高純度αアルミナ（住友化学株式会社製の商品名「ＡＫＰ−５３」）を用いた。高純度αアルミナに水を加えて混合物を得、混合物を湿式ボールミル粉砕し、アルミナ種粒子が２５重量％含まれたスラリーを作製した。αアルミナ種粒子の中心粒子径は０．２５μｍであった。
【００６０】
αアルミナ前駆体として、アルミニウムアルコキシドの加水分解法により得られた純度９９．９９重量％の高純度水酸化アルミニウムを用いた。高純度水酸化アルミニウムの結晶型は、ベーマイトである。
【００６１】
スラリーと高純度水酸化アルミニウムとを、高速回転する多段十字型分解構造を有する撹拌羽を内面に有するブレード型混合機で混合した。スラリー中のαアルミナ種粒子の量は、焼成して得られるαアルミナ粗粉末を１００重量部としたとき、１．７重量部であった。水の量は、高純度水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１４９重量部であった。
【００６２】
混合後、流動層乾燥機を用い、２００℃で乾燥して水分を除去した後、昇温速度１００℃／時間、焼成温度１３３５℃で４時間焼成した。焼成雰囲気は、大気中とした。得られた粗粉末を篩い分けして分級し、αアルミナ（I）を得た。
【００６３】
得られたαアルミナ（I）は、粉末であり、Ｓｉ含有量が６ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が６ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【００６４】
また、αアルミナ（I）は、相対密度が８７％、閉気孔率が２．４％、比表面積が０．４ｍ2／ｇ、かさ密度が２．５ｇ／ｃｍ3、吸着水分量が０．０２重量％であり、吸着水分が少なく低閉気孔率かつかさ密度が高いαアルミナ粉末であった。
【００６５】
αアルミナ（I）は、重量基準の粒子径分布において、７５μｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が２．０重量％、２．８ｍｍを超える粒子径を有する粒子の含有量が４．６重量％であり、１００μｍ以上２１２μｍ未満の粒子径範囲に１つの頻度極大（Ａ）を示し、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が３．４重量％であり、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粒子径範囲に１つの頻度極大（Ｂ）を示し、Ｄ２はＤ１の１０倍であり、Ｍ１／Ｍ２比が１．１９であった。
【００６６】
＜αアルミナ（II）の調製＞
αアルミナ種粒子として、純度９９．９９重量％の高純度αアルミナ（住友化学株式会社製の商品名「ＡＫＰ−５３」）を用いた。高純度αアルミナに水を加えて混合物を得、混合物を湿式ボールミル粉砕し、アルミナ種粒子が２５重量％含まれたスラリーを作製した。αアルミナ種粒子の中心粒子径は０．２５μｍであった。
【００６７】
水酸化アルミニウムとして、アルミニウムアルコキシドの加水分解法により得られた純度９９．９９重量％の高純度水酸化アルミニウムを用いた。高純度水酸化アルミニウムの結晶型は、ベーマイトである。
【００６８】
スラリーと高純度水酸化アルミニウムとを、高速回転する多段十字型分解構造を有する撹拌羽を内面に有するブレード型混合機で混合した。スラリー中のαアルミナ種粒子の量は、焼成して得られるαアルミナを１００重量部としたとき、１．７重量部であり、水の量は、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１４９重量部であった。
【００６９】
水の量を、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１９２重量部になるよう調整した後、直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円柱状に押出し成形した。成形体を、オーブン中６０℃で乾燥して水分を除去した後に、昇温速度１００℃／時間、焼結温度１３５０℃で４時間焼結して、αアルミナ（II）を得た。なお、焼結雰囲気は、大気中とした。
【００７０】
得られたαアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が０．１ｍ2／ｇ以下、相対密度が９４％、焼結体粒子の各々の体積が１．１ｃｍ3、かさ密度が１．８ｇ／ｃｍ3、閉気孔率が６％、Ｓｉ含有量が４ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が５ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【００７１】
＜αアルミナ（I）とαアルミナ（II）との混合＞
得られたαアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）１００重量部とを混合して、単結晶製造用αアルミナを得た。得られた単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が３．０ｇ／ｃｍ3であり、かさ密度が高かった。したがって、得られた単結晶製造用αアルミナによれば、高い容積効率でルツボに充填することができ、高い生産効率でサファイア単結晶を製造できることがわかる。
【００７２】
また、得られた単結晶製造用αアルミナは、比表面積が０．２ｍ2／ｇ、Ｓｉ含有量が６ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が６ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
αアルミナは、サファイア単結晶を製造するための原料として有用である。サファイア単結晶は、例えばαアルミナを金属モリブデン製のルツボ内に充填し、加熱して溶融し、溶融したアルミナから引き上げる方法により製造することができる（例えば、特許文献１参照）。αアルミナを高い容積効率でルツボに充填してサファイア単結晶を効率よく製造するため、さらに高い容積効率でルツボに充填することができるαアルミナが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−９７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、高い生産効率でサファイア単結晶を製造することができるサファイア単結晶製造用αアルミナおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特性が異なる２種のαアルミナを所定割合で混合することで得られるサファイア単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が極めて高いという知見を得、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（２）αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示す前記（１）記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（３）αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、１ｍｍ以上の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上である前記（１）または（２）記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（４）純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下である前記（１）〜（３）のいずれかに記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
（５）αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を混合する工程を含み、αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナの製造方法。
なお、本発明における前記「乾式篩い分け粒子径」は、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）で規定する標準篩で篩い分けしたとき、αアルミナ（I）が通過しなかった標準篩の目開きの最大値である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高い容積効率でルツボに充填することができるので、高い生産効率でサファイア単結晶を製造することができるという効果がある。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
〔サファイア単結晶製造用αアルミナ〕
本発明のサファイア単結晶製造用αアルミナ（以下、「単結晶製造用αアルミナ」と言う。）は、特定のαアルミナ（I）１００重量部と、特定のαアルミナ（II）２５〜２３５重量部、好ましくは５０〜１５０重量部、より好ましくは１００重量部と、を含むものである。この割合で異なる特性を有する２種のαアルミナ（αアルミナ（I）およびαアルミナ（II））を含むと、単結晶製造用αアルミナのかさ密度を高くすることができるので、単結晶製造用αアルミナを高い容積効率でルツボに充填することができる。
【０００８】
すなわち、αアルミナ（II）は、比表面積、相対密度および体積が、各々後述する範囲内であるので、比較的大きな体積と高い相対密度を両立でき、形状の整った焼結体粒子であることから焼結体粒子の各々のかさ密度が高いという特徴を有する。
一方、αアルミナ（I）は、比表面積およびかさ密度が、各々後述する範囲内であるので、比較的高いかさ密度と高い流動性とを両立でき、さらには閉気孔率を充分に低くできる。
そして、本発明においては、前記のような形態を有するαアルミナ（II）の焼結体粒子の間に、充分なかさ密度と流動性を有するαアルミナ（I）が上述の重量比で存在することにより、極めて高いかさ密度を有することが可能となる。
以下に、αアルミナ（I）およびαアルミナ（II）について詳述する。
【０００９】
＜αアルミナ（I）＞
αアルミナ（I）は、通常、粉末である。αアルミナ（I）の純度は、９９．９９重量％以上が好ましい。αアルミナ（I）は、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００１０】
αアルミナ（I）の比表面積は、０．１〜５ｍ2／ｇ、好ましくは０．２〜１ｍ2／ｇである。αアルミナ（I）のかさ密度は、１．５ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは２．０ｇ／ｃｍ3以上、より好ましくは２．０〜２．６ｇ／ｃｍ3である。αアルミナ（I）の比表面積があまり大きく、かさ密度があまり小さいと、αアルミナ（I）の流動性が低下し、取り扱い性が低下するおそれがある。また、αアルミナ（I）の比表面積があまり小さいと、閉気孔率が高まるおそれがあり、閉気孔に取り込まれた水分等によりルツボを酸化させるおそれがある。
【００１１】
高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填する上で、αアルミナ（I）は、相対密度が５５〜９０％、閉気孔率が０〜１０％、吸着水分量が０〜１重量％であるのが好ましい。相対密度が上記範囲内であると、本発明で規定する比表面積およびかさ密度のαアルミナ（I）が得られやすい。閉気孔率が上記範囲を超えて高くなると、閉気孔に取り込まれた水分等によりルツボを酸化させるおそれがあり、また、吸着水分量が上記範囲を超えて高くなると、吸着水分によりルツボを酸化させるおそれがある。
【００１２】
αアルミナ（I）は、２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子の含有量が１５重量％以下であるのが好ましく、１０重量％以下であるのがより好ましい。特に、αアルミナ（I）は、２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子を実質的に含まない（例えば、含有量が約０．１重量％以下）のが好ましい。２．８ｍｍを超える粒子径（直径）を有する粒子の含有量が上記範囲を超えると、本発明で規定するかさ密度のαアルミナ（I）が得られにくくなる。
なお、粒子径とは、後述する乾式篩い分け粒子径である。
【００１３】
αアルミナ（I）は、粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示すのが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示すのがより好ましい。αアルミナ（I）は、単一粒子径の粒子を含むものでもよい。頻度極大が上記粒子径範囲内に１つ以上あると、本発明で規定するかさ密度のαアルミナ（I）が得られやすい。
【００１４】
αアルミナ（I）は、粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、１００μｍ以上８５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ以上５００μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、１ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上であるのが好ましい。これにより、より高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填することができる。
【００１５】
特に、Ｄ１およびＤ２が、式：５×Ｄ１≦Ｄ２≦１５×Ｄ１を満足するのが好ましく、Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．１以上であるのが好ましく、１以上であるのがより好ましく、１〜５であるのがさらに好ましい。
【００１６】
本明細書において、粒子径は、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）に規定される目開き７５μｍ，１００μｍ，２１２μｍ，３００μｍ，４２５μｍ，５００μｍ，６００μｍ，７１０μｍ，８５０μｍ，１ｍｍ，２ｍｍおよび２．８ｍｍの標準篩を用いて、粒子が通過し得なかった目開きの最大値として測定される乾式篩い分け粒子径である。粒子径分布は、標準篩を用いてＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験に従い測定される乾式篩い分け粒子径による重量基準の粒子径分布である。
【００１７】
αアルミナ（I）は、例えば以下の（I−１）〜（I−３）の工程を含む方法により調製することができる。
（I−１）αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とを混合して混合物を得る工程。
（I−２）混合物を焼成して粗粉末を得る工程。
（I−３）粗粉末を分級する工程。
【００１８】
（αアルミナ前駆体）
αアルミナ前駆体は、焼成によりαアルミナに転移し得る化合物であって、例えば水酸化アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムｓ−ブトキシド、アルミニウムｔ−ブトキシド等のアルミニウムアルコキシド、γアルミナ、δアルミナ、θアルミナ等の遷移アルミナ等が挙げられ、これらは１種または２種以上を混合して用いてもよく、特に水酸化アルミニウムが好ましく、純度９９．９９重量％以上の高純度水酸化アルミニウムがより好ましい。
【００１９】
水酸化アルミニウムは、例えば加水分解性アルミニウム化合物を加水分解することにより得られる。加水分解性アルミニウム化合物としては、例えばアルミニウムアルコキシド、塩化アルミニウム等が挙げられるが、純度の点でアルミニウムアルコキシドが好ましい。水酸化アルミニウムは、結晶型が不定形（アモルファス）、ギブサイト、ベーマイトであり、好ましくはベーマイトである。
【００２０】
（αアルミナ種粒子）
αアルミナ種粒子は、例えば純度９９．９９重量％以上の高純度αアルミナ粒子を粉砕して得られる。αアルミナ種粒子は、中心粒子径が０．１〜１μｍであるのが好ましく、０．１〜０．４μｍであるのがより好ましい。中心粒子径があまり小さいαアルミナ種粒子は工業的に製造が困難であり、αアルミナ種粒子の中心粒子径があまり大きいと、αアルミナ（I）の比表面積およびかさ密度が特定の値を外れるおそれがあるので好ましくない。
【００２１】
高純度αアルミナ粒子の粉砕は、例えば乾燥状態で粉砕する方法（乾式粉砕）、溶媒を加えてスラリー状態で粉砕する方法（湿式粉砕）等が挙げられ、湿式粉砕が好ましい。
【００２２】
湿式粉砕では、例えばボールミル、媒体撹拌ミル等の粉砕装置などが用いられる。溶媒は、通常、水である。湿式粉砕では、分散性を向上させるため、分散剤を添加することができる。分散剤としては、αアルミナ（I）の不純物を低減するため、例えばポリアクリル酸アンモニウム塩等の高分子系分散剤のように焼成により分解して揮発する材料が好ましい。
【００２３】
αアルミナ種粒子の汚染を低減するため、粉砕装置の部材のうちアルミナと接する面が高純度のαアルミナであるか、あるいは樹脂ライニングされていることが好ましい。媒体撹拌ミル等を用いる場合には、媒体も高純度のαアルミナであることが好ましい。
【００２４】
αアルミナ種粒子の量は、焼成後のαアルミナ粒子の重量を１００重量部としたとき、通常、０．１〜１０重量部であり、好ましくは０．３〜７重量部である。αアルミナ種粒子の量があまり少ないと、αアルミナ（I）の比表面積およびかさ密度が上述した特定の値を外れるおそれがあり、あまり多くても得られるαアルミナ（I）の物性は変わらず不必要に使用量が増大するので好ましくない。
【００２５】
αアルミナ種粒子は、通常、湿式粉砕後のスラリーの状態で水酸化アルミニウムと混合される。スラリーの量は、通常、スラリー中の水分量として、水酸化アルミニウム１００重量部に対して１００〜２２０重量部であり、好ましくは１２０〜２００重量部である。水分量があまり多いと、混合物がスラリー化し、乾燥に多大なエネルギーを要するので好ましくない。水分量があまり少ないと、混合物の流動性が乏しく、αアルミナ種粒子と水酸化アルミニウムとの混合が不十分となるおそれがある。
【００２６】
（混合）
混合は、例えばボールミルやミキサー等を用いて行うか、または超音波照射等により行うことができる。これらの方法により、分散性よくαアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とを混合することができる。αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子とをより均一に混合する上で、せん断力をかけながら混合することができるブレード型混合機が好ましい。
【００２７】
αアルミナ前駆体とαアルミナ種粒子との混合物は、通常、乾燥され水分が除去される。乾燥温度は、通常、８０〜１８０℃である。乾燥品の軽装かさ密度を向上させるため、乾燥は流動層乾燥機を用いて行うことが望ましい。
【００２８】
（焼成）
焼成は、例えば管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の通常の焼成炉を用いることができる。焼成は、回分式、連続式いずれでも行うことができる。焼成炉は、静止式や流動式いずれでもよい。
【００２９】
焼成温度は、特定の純度、比表面積、相対密度、閉気孔率およびかさ密度を有するαアルミナ（I）が容易に得られる点で、通常、１２００〜１４５０℃、好ましくは１２５０〜１４００℃である。焼成温度があまり高いと、焼成が過度に進行し比表面積が下がることや、閉気孔率が高まることや、焼成炉からの不純物汚染等が起こり易い。焼成温度があまり低いと、水酸化アルミニウムのα化が不十分であったり、比表面積が高くなることがある。
【００３０】
焼成温度までの昇温速度は、例えば３０〜５００℃／時間である。焼成時間は、水酸化アルミニウムが十分にα化するのに十分な時間であり、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子との量比、焼成炉の形式、焼成温度、焼成雰囲気等により異なり、例えば３０分〜２４時間、好ましくは１時間〜１０時間である。
【００３１】
焼成雰囲気としては、大気か、または窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。焼成雰囲気は、湿潤雰囲気であってもよい。
【００３２】
（分級）
分級は、例えば篩い分け等により行うことができる。
【００３３】
＜αアルミナ（II）＞
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなる。本発明におけるαアルミナ（II）は、例えば、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子の混合物を成形して成形体を得、得られた成形体を焼結することで得ることができる。
αアルミナ（II）の比表面積は、１ｍ2／ｇ以下、好ましくは０．１ｍ2／ｇ以下である。αアルミナ（II）の相対密度は、８５％以上である。焼結体粒子の各々の体積は、０．０１ｃｍ3以上、好ましくは０．１０ｃｍ3以上、より好ましくは０．１０〜１０ｃｍ3である。αアルミナ（II）の比表面積があまり大きいか、またはαアルミナ（II）の相対密度があまり小さいと、単結晶製造用αアルミナのかさ密度が低くなるおそれがある。
【００３４】
高いかさ密度で単結晶製造用αアルミナをルツボへ充填する上で、αアルミナ（II）は、焼結体粒子の集合体のかさ密度が１〜３ｇ／ｃｍ3、閉気孔率が０〜１０％であるのが好ましい。また、αアルミナ（II）の純度は、９９．９９重量％以上が好ましい。αアルミナ（II）は、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００３５】
αアルミナ（II）は、例えば以下の（II−１）〜（II−３）の工程を含む方法により調製することができる。
（II−１）水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とを混合して混合物を得る工程。
（II−２）混合物を成形して成形体を得る工程。
（II−３）成形体を焼結する工程。
【００３６】
（水酸化アルミニウム）
水酸化アルミニウムは、例えば加水分解性アルミニウム化合物を加水分解することにより得られる。加水分解性アルミニウム化合物としては、例えばアルミニウムアルコキシド、塩化アルミニウム等が挙げられ、純度の点でアルミニウムアルコキシドが好ましい。水酸化アルミニウムは、純度９９．９９重量％以上の高純度水酸化アルミニウムが好ましい。水酸化アルミニウムは、結晶型が不定形（アモルファス）、ギブサイト、ベーマイトであり、好ましくはベーマイトである。
【００３７】
（αアルミナ種粒子）
αアルミナ種粒子としては、αアルミナ（I）のαアルミナ種粒子で例示したのと同じαアルミナ種粒子が挙げられる。
【００３８】
（混合）
αアルミナ種粒子は、通常、湿式粉砕後のスラリーの状態で水酸化アルミニウムと混合される。スラリーの量は、通常、スラリー中の水分量として、水酸化アルミニウム１００重量部に対して１００〜２２０重量部であり、好ましくは１２０〜２００重量部である。水分量があまり多いと、混合物がスラリー化し、乾燥に多大なエネルギーを要するので好ましくない。水分量があまり少ないと、混合物の流動性が乏しく、αアルミナ種粒子と水酸化アルミニウムとの混合が不十分となるおそれがある。混合は、例えばボールミルやミキサー等を用いて行うか、または超音波照射等により行うことができる。これらの方法により、分散性よく水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とを混合することができる。水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子とをより均一に混合する上で、せん断力をかけながら混合することができるブレード型混合機が好ましい。
【００３９】
（成形）
次いで、上記のようにして得られた混合物を成形する。なお、混合物は、成形に適した水分量に調整してもよく、例えば、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、水分量として、１００〜２２０重量部、好ましくは、１４０〜２００重量部である。
成形は、例えばプレス成形、打錠成形、押出成形、マルメライザーまたは皿型転動機等により行うことができる。成形体は、通常、円柱状、俵状または球状である。成形体は、乾燥させて水分を除去してもよいし、乾燥させなくてもよい。乾燥は、例えばオーブン、高周波乾燥機等により行うことができる。乾燥温度は、通常、６０〜１８０℃である。
【００４０】
（焼結）
焼結は、例えば管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の通常の焼結炉を用いることができる。焼結は、回分式、連続式いずれでも行うことができる。焼結炉は、静止式、流動式いずれでもよい。
【００４１】
焼結温度は、特定の純度、比表面積、相対密度および閉気孔率を有するαアルミナ（II）が容易に得られる点で、通常、１２００〜１４５０℃、好ましくは１２５０〜１４００℃である。焼結温度があまり高いと、焼結が過度に進行し比表面積が下がることや、閉気孔率が高まることや、焼結炉からの不純物汚染等が起こり易い。焼結温度があまり低いと、水酸化アルミニウムのα化が不十分であったり、比表面積が高くなることがある。
【００４２】
焼結温度までの昇温速度は、例えば３０〜５００℃／時間である。焼結時間は、水酸化アルミニウムが十分にα化するのに十分な時間であり、水酸化アルミニウムとαアルミナ種粒子との量比、焼結炉の形式、焼結温度、焼結雰囲気等により異なり、例えば３０分〜２４時間、好ましくは１時間〜１０時間である。
【００４３】
焼結雰囲気としては、大気か、または窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。焼結雰囲気は、湿潤雰囲気であってもよい。
【００４４】
〔単結晶製造用αアルミナの製造方法〕
単結晶製造用αアルミナの製造方法は、αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部、好ましくは５０〜１５０重量部、より好ましくは１００重量部と、を混合する工程を含む。
【００４５】
（混合）
混合は、αアルミナの汚染を抑制するため、αアルミナ（I）またはαアルミナ（II）と接触する部材が、高純度αアルミナであるか、または樹脂ライニングされている装置を使用して行うことが好ましい。
【００４６】
このようにして得られた単結晶製造用αアルミナは、通常、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、好ましくは０．２〜１．０ｍ2／ｇである。これにより、大気中から表面に付着する水分が少なく、加熱溶融させたときに、これらの水分によりルツボを酸化させるおそれがなく、さらにサファイア単結晶に形成されるボイドも少なくなる。
【００４７】
単結晶製造用αアルミナは、純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。このような単結晶製造用αアルミナを単結晶製造用アルミナ原料として用いることで、着色やクラック等の少ない良質なサファイア単結晶が得られる。
【００４８】
単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が、通常、２．６ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは２．６〜３．５ｇ／ｃｍ3である。このような単結晶製造用αアルミナを加熱溶融した後、冷却することにより容易に単結晶化させてサファイア単結晶を得ることができる。
【００４９】
単結晶製造用αアルミナは、例えばＥＦＧ法、チョクラルスキー法、カイロポーラス法等のサファイア単結晶成長方法の原料として使用することができ、好ましくは高い容積効率でルツボに充填する必要があるチョクラルスキー法、カイロポーラス法等に用いられる。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。なお、各物性の評価方法は、次の通りである。
【００５１】
（相対密度）
アルキメデス法で焼結密度を測定し、式：相対密度（％）＝焼結密度〔ｇ／ｃｍ3〕／３．９８〔ｇ／ｃｍ3；αアルミナ理論焼結密度〕×１００に当てはめて算出した。
【００５２】
（体積）
アルキメデス法で測定した焼結体の密度と単結晶製造用αアルミナ１個あたりの重量とを、式：体積（ｃｍ3／個）＝重量〔ｇ／個〕／焼結密度〔ｇ／ｃｍ3〕に当てはめて算出した。
【００５３】
（閉気孔率）
式：閉気孔率（％）＝〔（閉気孔体積）／{（１／３．９８）＋細孔容積＋閉気孔体積}〕×１００から算出した。
閉気孔体積は、式：閉気孔体積（ｃｍ3／ｇ）＝（１／粒子密度）−（１／３．９８）から算出した。粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ ７２２２（１９９７）の真比重測定方法に基づき算出した。細孔容積は、試料を１２０℃で４時間乾燥後、ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製のオートポアＩＩＩ９４２０装置を用いて水銀圧入法により細孔半径１μｍ以下の範囲の細孔容積として求めた。
【００５４】
（不純物濃度と純度）
Ｓｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃａの含有量は、固体発光分光法にて測定した。純度は、単結晶製造用αアルミナ中に含まれるＳｉＯ2，Ｎａ2Ｏ，ＭｇＯ，ＣｕＯ，Ｆｅ2Ｏ3，ＣａＯの重量の総和（％）を上記から算出し、これを１００から差し引いた。
すなわち、式：純度（％）＝１００−不純物の重量の総和（％）から算出した。
【００５５】
（かさ密度）
試料を内径８０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの容器に充填した後、試料重量を測定容器の容積で除して算出した。
【００５６】
（比表面積）
（株）島津製作所製のＢＥＴ比表面積測定装置「２３００−ＰＣ−１Ａ」を用いて窒素吸着法により測定した。なお、測定容器に入らない大きさの試料は、容器に入る大きさに粉砕の上、測定した。
【００５７】
（粒子径分布）
ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験法に基づき、ＪＩＳ Ｚ ８８０１（１９８７）に指定された標準篩のうち、網目の目開きが、７５μｍ，１００μｍ，２１２μｍ，３００μｍ，４２５μｍ，５００μｍ，６００μｍ，７１０μｍ，８５０μｍ，１ｍｍ，２ｍｍ，２．８ｍｍの篩を用いて算出した。
【００５８】
（水分量）
吸着水分量は、ＪＩＳ Ｈ １９０１（１９９７）に基づき、試料を１１０℃で乾燥した後、その減量として測定した。
【００５９】
＜αアルミナ（I）の調製＞
αアルミナ種粒子として、純度９９．９９重量％の高純度αアルミナ（住友化学株式会社製の商品名「ＡＫＰ−５３」）を用いた。高純度αアルミナに水を加えて混合物を得、混合物を湿式ボールミル粉砕し、アルミナ種粒子が２５重量％含まれたスラリーを作製した。αアルミナ種粒子の中心粒子径は０．２５μｍであった。
【００６０】
αアルミナ前駆体として、アルミニウムアルコキシドの加水分解法により得られた純度９９．９９重量％の高純度水酸化アルミニウムを用いた。高純度水酸化アルミニウムの結晶型は、ベーマイトである。
【００６１】
スラリーと高純度水酸化アルミニウムとを、高速回転する多段十字型分解構造を有する撹拌羽を内面に有するブレード型混合機で混合した。スラリー中のαアルミナ種粒子の量は、焼成して得られるαアルミナ粗粉末を１００重量部としたとき、１．７重量部であった。水の量は、高純度水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１４９重量部であった。
【００６２】
混合後、流動層乾燥機を用い、２００℃で乾燥して水分を除去した後、昇温速度１００℃／時間、焼成温度１３３５℃で４時間焼成した。焼成雰囲気は、大気中とした。得られた粗粉末を篩い分けして分級し、αアルミナ（I）を得た。
【００６３】
得られたαアルミナ（I）は、粉末であり、Ｓｉ含有量が６ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が６ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【００６４】
また、αアルミナ（I）は、相対密度が８７％、閉気孔率が２．４％、比表面積が０．４ｍ2／ｇ、かさ密度が２．５ｇ／ｃｍ3、吸着水分量が０．０２重量％であり、吸着水分が少なく低閉気孔率かつかさ密度が高いαアルミナ粉末であった。
【００６５】
αアルミナ（I）は、重量基準の粒子径分布において、７５μｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が２．０重量％、２．８ｍｍを超える粒子径を有する粒子の含有量が４．６重量％であり、１００μｍ以上２１２μｍ未満の粒子径範囲に１つの頻度極大（Ａ）を示し、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が３．４重量％であり、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粒子径範囲に１つの頻度極大（Ｂ）を示し、Ｄ２はＤ１の１０倍であり、Ｍ１／Ｍ２比が１．１９であった。
【００６６】
＜αアルミナ（II）の調製＞
αアルミナ種粒子として、純度９９．９９重量％の高純度αアルミナ（住友化学株式会社製の商品名「ＡＫＰ−５３」）を用いた。高純度αアルミナに水を加えて混合物を得、混合物を湿式ボールミル粉砕し、アルミナ種粒子が２５重量％含まれたスラリーを作製した。αアルミナ種粒子の中心粒子径は０．２５μｍであった。
【００６７】
水酸化アルミニウムとして、アルミニウムアルコキシドの加水分解法により得られた純度９９．９９重量％の高純度水酸化アルミニウムを用いた。高純度水酸化アルミニウムの結晶型は、ベーマイトである。
【００６８】
スラリーと高純度水酸化アルミニウムとを、高速回転する多段十字型分解構造を有する撹拌羽を内面に有するブレード型混合機で混合した。スラリー中のαアルミナ種粒子の量は、焼成して得られるαアルミナを１００重量部としたとき、１．７重量部であり、水の量は、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１４９重量部であった。
【００６９】
水の量を、水酸化アルミニウム１００重量部に対して、１９２重量部になるよう調整した後、直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円柱状に押出し成形した。成形体を、オーブン中６０℃で乾燥して水分を除去した後に、昇温速度１００℃／時間、焼結温度１３５０℃で４時間焼結して、αアルミナ（II）を得た。なお、焼結雰囲気は、大気中とした。
【００７０】
得られたαアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が０．１ｍ2／ｇ以下、相対密度が９４％、焼結体粒子の各々の体積が１．１ｃｍ3、かさ密度が１．８ｇ／ｃｍ3、閉気孔率が６％、Ｓｉ含有量が４ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が５ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【００７１】
＜αアルミナ（I）とαアルミナ（II）との混合＞
得られたαアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）１００重量部とを混合して、単結晶製造用αアルミナを得た。得られた単結晶製造用αアルミナは、かさ密度が３．０ｇ／ｃｍ3であり、かさ密度が高かった。したがって、得られた単結晶製造用αアルミナによれば、高い容積効率でルツボに充填することができ、高い生産効率でサファイア単結晶を製造できることがわかる。
【００７２】
また、得られた単結晶製造用αアルミナは、比表面積が０．２ｍ2／ｇ、Ｓｉ含有量が６ｐｐｍ、Ｎａ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｍｇ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ含有量が１ｐｐｍ以下、Ｆｅ含有量が６ｐｐｍ、Ｃａ含有量が１ｐｐｍ以下であり、アルミナ純度は９９．９９重量％であった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、
αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項２】
αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示す請求項１記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項３】
αアルミナ（I）は、
ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、
１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、
１ｍｍ以上の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、
Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、
Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上である請求項１または２記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項４】
純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項５】
αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を混合する工程を含み、
αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナの製造方法。
【請求項１】
αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を含み、
αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項２】
αアルミナ（I）は、ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大を示す請求項１記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項３】
αアルミナ（I）は、
ＪＩＳ Ｋ ００６９（１９９２）の乾式篩い分け試験で求めた乾式篩い分け粒子径の重量基準の粒子径分布において、８５０μｍ以上１ｍｍ未満の粒子径を有する粒子の含有量が１０重量％以下であり、
１００μｍ以上８５０μｍ未満の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ａ）を示し、頻度極大（Ａ）のうち最も小さな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ１、極大値をＭ１とし、
１ｍｍ以上の粒子径範囲に１つ以上の頻度極大（Ｂ）を示し、頻度極大（Ｂ）のうち最も大きな極大粒子径を示す頻度極大の極大粒子径をＤ２、極大値をＭ２としたとき、
Ｄ１およびＤ２が、式：２×Ｄ１≦Ｄ２≦２０×Ｄ１を満足し、
Ｍ１とＭ２との比（Ｍ１／Ｍ２）が、０．０５以上である請求項１または２記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項４】
純度が９９．９９重量％以上であり、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅ，ＣｕおよびＭｇの含有量がそれぞれ重量比で１０ｐｐｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のサファイア単結晶製造用αアルミナ。
【請求項５】
αアルミナ（I）１００重量部と、αアルミナ（II）２５〜２３５重量部と、を混合する工程を含み、
αアルミナ（I）は、比表面積が０．１〜５ｍ2／ｇ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上であり、
αアルミナ（II）は、焼結体粒子からなり、比表面積が１ｍ2／ｇ以下、相対密度が８５％以上、焼結体粒子の各々の体積が０．０１ｃｍ3以上であることを特徴とするサファイア単結晶製造用αアルミナの製造方法。
【公開番号】特開２０１１−２０７７４３（Ｐ２０１１−２０７７４３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７０９２（Ｐ２０１１−４７０９２）
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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